Des chercheurs découvrent que le cerveau peut régler son système de navigation sans repères

La recherche de Johns Hopkins jette un nouvel éclairage sur la façon dont les mammifères suivent leur position et leur orientation lorsqu’ils se déplacent, révélant que les signaux visuels de mouvement permettent à eux seuls au cerveau d’ajuster et de recalibrer sa carte interne même en l’absence de repères visuels stables.

Leurs résultats sont publiés dans Neurosciences de la nature.

« Lorsque vous vous déplacez dans l’espace, vous disposez de nombreuses informations sensorielles concurrentes qui vous indiquent où vous êtes et à quelle vitesse vous allez, et votre cerveau doit donner un sens à cela », a déclaré Noah Cowan, co-directeur de l’étude, professeur de génie mécanique à la Whiting School of Engineering et directeur du laboratoire de locomotion dans les systèmes mécaniques et biologiques (LIMBS).

« Les résultats de notre étude démontrent que, de manière surprenante, le cerveau peut effectuer ce réétalonnage continu sans avoir de repères extérieurs évidents pour nous indiquer notre position. Le cerveau peut ajuster son sens interne de la vitesse grâce à sa carte spatiale à partir d’indices provenant uniquement du flux optique : les schémas de mouvement visuel que les individus perçoivent lorsqu’ils se déplacent dans l’espace. »

Cowan a collaboré sur le projet avec James Knierim, professeur de neurosciences au Zanvyl Krieger Mind/Brain Institute de la Krieger School of Arts and Sciences et au Kavli Neuroscience Discovery Institute de Johns Hopkins.

Les chercheurs savaient que, par exemple, lorsqu’un individu traverse un tunnel couvert de marquages, son cerveau détecte la vitesse à laquelle les marquages ​​semblent défiler, l’aidant à estimer la distance parcourue et sa position relative dans l’espace.

L’équipe a cherché à déterminer si la modification de la vitesse des marquages ​​passant devant le marcheur ou la suppression des marqueurs affecterait de manière significative la réponse du cerveau.

“Nous voulions comprendre les mécanismes par lesquels notre cerveau calcule la “distance parcourue” à partir uniquement des informations sur la vitesse”, a déclaré Cowan. “Les neurones de notre hippocampe s’allument comme le point GPS bleu de votre téléphone. Nous avons émis l’hypothèse que la relation entre le flux optique et la “mise à jour du point bleu” pourrait être recalibrée en réalité virtuelle, et nous avons découvert que c’était possible.”

Knierim a expliqué que les chercheurs visaient à déterminer s’ils pouvaient contrôler de manière fiable le sens de localisation d’un rat de laboratoire sur sa carte cognitive en modifiant artificiellement la quantité de flux optique qu’il recevait dans un système de réalité virtuelle.

« Nous avons découvert qu’en utilisant les principes de la théorie du contrôle, nous pouvions contrôler la carte cognitive avec précision en utilisant uniquement des signaux de flux optique, démontrant ainsi que cette entrée longtemps hypothétique était réellement utilisée par le système d’intégration du chemin du rat », a déclaré Knierim.

L’équipe a construit un dôme de réalité virtuelle et a projeté des bandes lumineuses sur ses parois. Des gouttes de lait au chocolat ont attiré les rats à se promener autour du dôme. Les bandes devaient servir d’indices subconscients sur la vitesse des rongeurs et leur localisation générale dans l’espace.

Lorsque l’équipe a réglé les bandes pour qu’elles tournent dans la direction opposée à celle des rats lorsqu’ils faisaient un pas, la réponse hippocampique des animaux a indiqué qu’ils pensaient qu’ils se déplaçaient deux fois plus vite et que leur sens de l’emplacement était faussé.

Après un certain temps, lorsque les rayures ont été éteintes, les chercheurs ont découvert que les rats avaient toujours l’impression de se déplacer plus vite qu’ils ne l’étaient en réalité.

Cowan a déclaré qu’il était déjà connu que le cerveau des mammifères utilise la position des points de repère les uns par rapport aux autres pour déterminer leur emplacement et calibrer leur vitesse approximative. On ne savait pas si le cerveau d’un mammifère recalibrerait sa vitesse grâce à sa carte mentale en l’absence de tout point de repère.

“La manière dont votre cerveau effectue ce recalibrage en l’absence de repères, et le fait qu’il le fasse, n’était pas connu auparavant, et nous le montrons dans cette recherche”, a-t-il déclaré.

Les résultats de l’étude fournissent des informations précieuses dans deux domaines clés. Premièrement, ils mettent en lumière le fonctionnement de l’hippocampe des mammifères, une région du cerveau impliquée dans la maladie d’Alzheimer et d’autres démences, et deuxièmement, la recherche répond à une question de longue date sur la biologie fondamentale de la façon dont les animaux se déplacent dans le monde.

“Le système de navigation étant intimement lié au système de mémoire du cerveau, nous espérons que comprendre comment il crée ces cartes cognitives permettra de mieux comprendre comment la mémoire s’affaiblit au cours du vieillissement et de la démence”, a déclaré Knierim.

Mais les résultats ont également des implications pour la robotique. Cowan a noté que ces découvertes pourraient également éclairer le développement d’algorithmes d’IA et d’apprentissage automatique conçus pour intégrer des informations visuelles avec des représentations de l’espace, ouvrant ainsi la voie à des systèmes cognitifs incarnés.